1. Ingeniería

“DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN EQUIPO AUTOMÁTICO DE
PRUEBAS PARA LA VERIFICACIÓN DE CONTINUIDAD Y RIGIDEZ
DIELÉCTRICA DEL ALAMBRE ESMALTADO DE COBRE PARA EL
LABORATORIO DE CONTROL DE CALIDAD DE LA EMPRESA
ECUATRAN S.A”
ACOSTA CARRASCO EDWIN JAVIER
GARCÉS CADENA ANDRÉS ALEJANDRO
Latacunga, 2014
TRANSFORMADORES
MONOFÁSICOS
TRIFÁSICOS
PADMOUNTED
PARTES DEL TRANSFORMADOR
ALAMBRE DE COBRE
PARA BOBINAS
NÚCLEO
PARARRAYOS
ACEITE
DIELÉCTRICO
PRUEBAS AL ALAMBRE DE COBRE
NORMA NEMA MW 1000-2008
Dimensionales
Adherencia y Flexibilidad
Elongación
Choque térmico
Recuperación Elástica
Rigidez Dieléctrica
Continuidad
CONTINUIDAD
Verificar la calidad del esmaltado del alambre, mediante detección de fallas.
Parámetro
Valor
Voltaje de Prueba
1500 VDC
Longitud de muestra
30m ± 2
Velocidad de recolección de alambre
18 m/min.
RIGIDEZ DIELÉCTRICA
La prueba de rigidez dieléctrica se base en romper el aislamiento de la
muestra de alambre en un punto determinado al aplicarle alto voltaje AC
Parámetro
Valor
Frecuencia
60 Hz.
Potencia
> 500 VA.
Voltaje
Variable (0 – 7000V o superior)
Velocidad de incremento de voltaje
500 V/s (+/- 10%)
ANTECEDENTES
DISEÑO DE FUENTE DC
FUENTE 1500 VDC
VID >2VP
VtC >2VP
VID > 2(166.02V)
VID > 332.05V
VtC >332.05V
Diodo 1N4007
Capacitor Electrolítico 10uF/450 V
DISEÑO DE FUENTE DC
# Etapas
VRED = 117.4 V
VP= 166.02 V
Cálculo
Voltaje (VDC)
3
VOUT = VP + 2VP
498.06
4
VOUT = 4VP
664.08
5
VOUT = VP + 4VP
830.10
6
VOUT = 6VP
996.12
7
VOUT = VP + 6VP
1162.14
8
VOUT = 8VP
1328.16
9
VOUT = VP + 8VP
1494.18
10
VOUT = 10VP
1660.20
CIRCUITO DE ACONDICIONAMIENTO PARA DETECCIÓN
DE FALLAS EN EL ESMALTADO DEL ALAMBRE
Vin= 1500 VDC.
VFALLA= VR1= 10V.
V IN
R2= 1MΩ (Asumimos este valor debido a que
ésta resistencia es comercial)
1
2
1500 V
-
R1=?
+
VOLTAJE DE FALLA
2
1
R1
R2
6k8
1M
CIRCUITO DE ACONDICIONAMIENTO PARA DETECCIÓN
DE FALLAS EN EL ESMALTADO DEL ALAMBRE
5V
1
2
R1
R2
D10
1k
1k
1N4007
D9
VOLTAJE DE FALLA
2
1
D1
D2
D3
D4
1N4007
1N4007
1N4007
1N4007
1N4007
Q1
Q2
2N3904
2N3904
Q3
2N3904
VDiodo: 0.7 (V. medido)
VTotal:VD1+VD2+VD3+VD4
VTotal: 2.8
RL1
SEÑAL A PLC
1
2
DISEÑO DE FUENTE AC
CARACTERÍSTICAS DEL TRANSFORMADOR
Parámetro
Valor
Voltaje de Entrada
120 V
Voltaje de Salida
18 KV
Potencia
1 KVA
Frecuencia
60 Hz
CIRCUITO DETECTOR DE SOBRE-CORRIENTE
Voltaje Primario:
V1= 120V
Voltaje Secundario:
V2= 18000V
Corriente en el Primario:
I1= ?
Corriente en el secundario:
I2= 10mA
Relación de Transformación:
m= 150.82
CIRCUITO DETECTOR DE SOBRE-CORRIENTE
CÁLCULOS
Datos:
I1= 1.5A
R Shunt = 1.5Ω
1
2
3
4
CIRCUITO DETECTOR DE SOBRE-CORRIENTE
R3
220R
D3
LED-RED
J3
R1
R2
1k
1k
RL2
OMIH-SH-105D
D7
BR1
J2
2
1
D1
D2
D4
1N4007
1N4007
1N4007
1N4007
Q1
Q2
2N3904
2N3904
Q3
TIP41
TBLOCK-I2
KBPC806
C1
10u
1
2
TBLOCK-I2
CIRCUITO DE ACONDICIONAMIENTO PARA ENTRADA
ANALÓGICA
1
FU1
1A
TR1
V1
0-120V
R2
V2
0-9V
Luego se encuentra el voltaje
continuo entregado:
470R
BR1
D1
1N4738A
C1
C2
C3
220u
220u
10n
1
2
R1
220R
ENTRADA
ANALOGICA PLC
2W005G
2
Cálculo del voltaje de caída en R2, para poder seleccionar el
diodo zener adecuado:
3
SELECCIÓN DEL PLC
ENTRADAS REQUERIDAS EN EL PLC Y TIPO DE SEÑAL
# de Entrada
NOMBRE DE VARIABLE
TIPO
1
Sensor Presencia Alambre (Agua)
Digital
2
Sensor Presencia Alambre (Escobillas) Digital
3
Fallas del Alambre
Digital
4
Sensor de Sobre-Corriente
Digital
5
Inicio Variac
Digital
6
Fin Variac
Digital
7
Sensor Ventana Rigidez
Digital
8
Paro de Emergencia
Digital
1ª
Voltaje de Rigidez Dieléctrica
Analógica
SELECCIÓN DEL PLC
SALIDAS REQUERIDAS EN EL PLC Y TIPO DE SEÑAL
# de Salida
NOMBRE DE VARIABLE
TIPO
1
Encender Sistema de Continuidad Agua.
Digital
2
Encender Sistema de Continuidad Escobillas.
Digital
3
Encender Sistema de Alto Voltaje
Digital
4
Retorno VARIAC.
Digital
DISEÑO Y SELECCIÓN DEL SISTEMA MECÁNICO
Los principales parámetros que influyen directamente en el diseño
mecánico de la máquina son:
ANÁLISIS DE UN ELEMENTO CURVO SOMETIDO A
FLEXIÓN
𝑟𝑖 = radio de la fibra inferior del alambre
𝑐𝑖 = distancia de la fibra inferior al eje neutro
𝑟𝑜 = radio de la fibra superior del alambre 𝑟𝑛 = radio del eje neutro del alambre
∅ = diámetro del alambre = 2,906 mm
𝑟𝑐 = radio del eje centroidal del alambre
𝑅 = radio del alambre = 1,453 mm
𝑒 = distancia entre E.centroidaly E.neutro
𝑐𝑜 = distancia de la fibra superior al eje neutro
FUERZA EN LOS POLEAS GUÍAS
1
𝜎𝑜1 =
𝜎𝑜1 =
𝜎𝑜1
𝑀1 ∙ 𝑐01
𝐴 ∙ 𝑒1 ∙ 𝑟𝑜1
4 ∙ 𝐹1 ∙ 𝑟𝑐1 ∙ 𝑐01
𝜋 ∙ ∅2 ∙ 𝑒1 ∙ 𝑟𝑜1
4 ∙ 𝐹1 ∙ 17,453 ∙ 1,4833
=
𝜋 ∙ 2.9062 ∙ 0,03 ∙ 18,906
𝜎𝑜1 =
Sabiendo que:
6,88
∙𝐹
𝑚𝑚2 1
2
𝜎𝑜1 ≥ 𝐾𝐶 ∙ 𝑆𝑦
2 ∙ 379 𝑁 𝑚𝑚2
𝐹1 =
6,88
𝑚𝑚 2
𝐹1 = 110,2𝑁
FUERZA EN EL TAMBOR PARA
ENROLLAMIENTO DEL ALAMBRE
1
𝜎𝑜2 =
𝜎𝑜2
𝜎𝑜2
𝑀2 ∙ 𝑐𝑜2
𝐴 ∙ 𝑒2 ∙ 𝑟𝑜2
4 ∙ 𝐹2 ∙ 𝑟𝑐2 ∙ 𝑐𝑜2
=
𝜋 ∙ ∅2 ∙ 𝑒2 ∙ 𝑟𝑜2
4 ∙ 𝐹2 ∙ 64,453 ∙ 1,4612
=
𝜋 ∙ 2.9062 ∙ 0,0082 ∙ 65,9066
𝜎𝑜2 =
26,27
∙𝐹
𝑚𝑚2 2
2
𝜎𝑜2 ≥ 𝐾𝐶 ∙ 𝑆𝑦
2 ∙ 379 𝑁 𝑚𝑚2
𝐹2 =
26,27
𝑚𝑚2
𝐹2 = 28,85 𝑁
𝑭𝑻 = 𝟐 ∙ 𝑭𝟏 + 𝑭𝟐
𝑭𝑻 = 𝟐𝟒𝟗, 𝟐𝟓 𝑵
SELECCIÓN DEL MOTOR-REDUCTOR
∅𝑡
𝑉𝐴 = 𝜔𝑡 ∙
2
2 ∙ 0.5 𝑚 𝑠
𝜔𝑡 =
0.136 𝑚
𝜔𝑡 = 7,35 𝑟𝑎𝑑 𝑠 = 70,2 𝑟𝑝𝑚
𝑃𝑜𝑡 = 𝐹𝑟. 𝑉
𝑚
𝑃𝑜𝑡 = 249,25 𝑁 ∗ 0,5 𝑠 = 124,63 𝑊
𝑃𝑜𝑡𝑀 =
𝑃𝑜𝑡
ƞ𝑅 ∙ ƞ𝑀
124,63
𝑃𝑜𝑡𝑀 =
0,9 ∙ 0,6
𝑃𝑜𝑡𝑀 = 230,8 𝑊 = 0,31 𝑕𝑝
𝑇 = 𝐹𝑇 ∙ 𝑟𝑛2
𝑇 = 249,25 𝑁 ∙ 64,4448 𝑚𝑚
𝑇 = 16062,8 𝑁 𝑚𝑚 = 16,06 𝑁𝑚
DISEÑO DE LA ESTRUCTURA SOPORTE
Análisis de Esfuerzos
σ𝑑 = 𝐸𝑠𝑓𝑢𝑒𝑟𝑧𝑜 𝑑𝑒 𝑑𝑖𝑠𝑒ñ𝑜
𝑆𝑦 = 𝑅𝑒𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑎 𝑙𝑎 𝑓𝑙𝑒𝑥𝑖𝑜𝑛 = 320𝑀𝑃𝑎
𝑁 = 𝑓𝑎𝑐𝑡𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝑠𝑒𝑔𝑢𝑟𝑖𝑑𝑎𝑑
σ𝑑 =
σ𝑑 =
𝑆𝑦 ∗ 0.577
𝑁
(320𝑀𝑃𝑎) ∗ 0.577
6
σ 𝑑 = 34.62 𝑀𝑃𝑎.
σ ′ < σ𝑑
DEFORMACIÓN
FACTOR DE SEGURIDAD
ELABORACIÓN PLACAS ELECTRÓNICAS
CONEXIONES DEL TRANSFORMADOR
TABLERO DE CONTROL
CONSTRUCCIÓN DE ESTRUCTURA MECÁNICA
ENSAMBLAJE FINAL DE LA MÁQUINA
IMPLEMENTACIÓN DEL SISTEMA HMI
PRUEBAS A LAS FUENTES DE ALTO VOLTAJE
PRUEBAS DE FUNCIONAMIENTO DEL PLC Y TOUCH
SCREEN
CALIBRACIÓN DEL EQUIPO
VALIDACIÓN DE LA HIPÓTESIS
“El diseño y construcción de un equipo automático
permitirá la realización de las pruebas de continuidad del
esmaltado y rigidez dieléctrica del alambre redondo de
cobre en menor tiempo y mayor confiabilidad”
CONCLUSIONES
• Se realizó el diseño y construcción de la máquina de pruebas de
continuidad y rigidez dieléctrica del alambre esmaltado, permitiendo
de esta manera evitar el uso de los equipos que se utilizan
normalmente para los transformadores.
• La calibración para la prueba de continuidad se realizó mediante
una comparación de resultados entre el sistema antiguo y el
sistema de la máquina, obteniendo valores similares en los
resultados.
• El número de fallas en cada muestra de alambre de un mismo
carrete en la prueba de continuidad no es el mismo pero si se
mantiene en un rango, debido a que cada muestra que se prueba
es nueva y el esmaltado no es totalmente continuo.
• La prueba de rigidez dieléctrica del alambre esmaltado antes se
realizaba con un equipo que contaba con un voltímetro analógico, por
lo que el valor del voltaje de rigidez registrado por el operador no era
el exacto. El equipo construido registra el valor exacto del voltaje de
rigidez del alambre, permitiendo visualizar este valor en la pantalla.
• El registro de datos de las muestras de alambre se almacenan en
una memoria USB externa para una posterior verificación de
resultados.
• Se redujo notablemente hasta en un 80% el tiempo de realización de
las pruebas, permitiendo de esta manera que se prueben más
muestras de alambre sin inconvenientes y con tan solo un operador.
RECOMENDACIONES
• Realizar mantenimiento preventivo en el tablero de control, para
prolongar la vida útil de la máquina.
• Trimestralmente realizar una prueba de TTR al transformador de
18KV, ubicado en la parte inferior de la máquina.
• Verificar siempre la conexión a tierra que debe tener la máquina para
la prueba de rigidez dieléctrica.
• No olvidar retirar el esmalte del extremo del alambre antes de
ajustarlo al tambor metálico.
• Durante la prueba de continuidad del alambre no tocar el tambor
metálico que recoge el alambre, ya que en el tambor tiene el contacto
positivo de 1500V DC.
GRACIAS POR SU ATENCIÓN